1.- INTRODUCCIÓN

El ácido Nítrico es uno de los compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se

utiliza como uno de los tantos medidores de la capacidad industrial de los países, ya que se

emplea en una mayoría de los procesos químicos.

En el presente trabajo se realizará un control dinámico del proceso de dilución del ácido Nítrico

con agua en determinado valor de operación de variables tales como: temperaturas, presiones,

flujos y compuestos.

Estos procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no se

emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es decir, aquellas

que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los índices de producción, no

cumplirán con las condiciones de diseño.

2.- FUNDAMENTO TEORICO

El acido nítrico es un líquido incoloro y corrosivo cuya fórmula química es HNO3. Los

alquimistas medievales lo conocían como aqua fortis (agua fuerte). El ácido nítrico se obtiene

comercialmente por la acción del ácido sulfúrico sobre nitrato de sodio. También se puede

preparar por oxidación catalítica del amoníaco. Es un ácido fuerte y un agente oxidante

poderoso.

El ácido nítrico común tiene numerosas aplicaciones. Se emplean en síntesis químicas, en la

nitración de materiales orgánicos para formar compuestos nitrogenados (compuestos que

tienen un grupo NO2) y en la fabricación de tintes y explosivos. El ácido nítrico tiene un punto de

fusión de -42 °C y un punto de ebullición de 83 °C.

La reacción del ácido nítrico con compuestos orgánicos produce importantes nitratos, como la

nitroglicerina y la nitrocelulosa. Los nitratos de calcio, sodio, potasio y amonio se emplean como

fertilizantes que proporcionan nitrógeno para el crecimiento de las plantas.

Transformada De Laplace

Se ha comprobado que las técnicas de transformada de Laplace y linealización son

particularmente útiles para el análisis de la dinámica de los procesos y diseño de sistemas de

control, debido a que proporcionan una vision general del comportamiento de gran variedad de

procesos e instrumentos. Por el contrario; la técnica de simulación por computadora permite

realizar un análisis preciso y detallado del comportamiento dinámico de sistemas específico,

pero rara vez es posible generalizar para otros procesos los resultados obtenidos.

El conocimiento de la transformada de Laplace es esencial para entender los fundamentos de la

dinámica del proceso y del diseño de los sistemas de control.

En la aplicación de la transformada, de Laplace al diseño de sistemas de control, las funciones

del tiempo son las variables del sistema, inclusive la variable manipulada y la controlada, las

señales del transmisor, las perturbaciones, las posiciones de la válvula de control, el flujo a

través de las válvulas de control y cualquier otra variable o señal intermedia.

Por lo tanto, es muy importante darse cuenta que la transformada de Laplace se aplica a las

variables y señales, y no a los procesos o instrumentos.

3.- OBJETIVOS

3.1.-Objetivo General

Realizar el control de flujo y temperatura del proceso de dilución del ácido nítrico

con agua.

3.2.- Objetivos específicos

Realizar los balances de masa, componente y energía para los elementos

involucrados en el proceso.

Plantear el diagrama de control del proceso.

Obtener las gráficas de estabilidad de respuesta por simulación.

Para llegar al cumplimiento de los objetivos planteados se tiene el siguiente diagrama de

control.

Donde:

A el ácido Nítrico y B el agua.

Clasificación de variable:

Objetivo de control: F, T

Variables de entrada: FAo, Tao, FB, TB, Fwo, Two.

- Variable perturbable: FAo, F1, FB, T1, F2, T2

- Variable manipulable: FAo, Fwo

Variable de salida: F, T, V(h)

- Variable medible: V(h), T

- Variable no medible: F

A continuación se presentan las propiedades de los flujos y las características de los

tanques de proceso. Para la sección del primer tanque se tiene:

TANQUE 1

Área 5 m2

Α 0.125 m2/s

Volumen 10 m3

Flujo de A, (constante) 2.5 m3/s

Flujo de Ao 3 m3/s

Temperatura de A 20 ºC

Temperatura de referencia 25 ºC

Capacidad calorífica HNO3 1746 J/kg ºC

TANQUE 2

Área 7.5 m2

Α 0.15 m2/s

Volumen 12 m2

Flujo de B, (constante) 20 m3/s

Flujo de B, (estacionario) 22 m3/s

Capacidad calorífica mezcla 1865 J/kg ºC

Densidad de mezcla 1350 kg/m3

Coeficiente de transf. de calor 100 W/m2 ºC

Área de transferencia 0.765 m2

Concentración de B 55.6 kmol/m3

Entalpia de solución A 72299 kJ/mol

Entalpia de solución B 5272 kJ/mol

Temperatura de referencia 25 ºC

Temperatura de B 30 ºC

Capacidad calorífica H2O 4184 J/kg ºC

TANQUE 3

Área 5 m2

α 0.125 m2/s

Volumen 22 m3

Flujo de F (constante) 2.5 m3/s

Flujo de F2 3 m3/s

Temperatura de T2 60 ºC

Temperatura de referencia 25 ºC

Capacidad calorífica HNO3 1746 J/kg ºC

Con estos datos, y haciendo los correspondientes balances de masa, de componente y energía.

Tanque Nº1

Balance de masa

= ρAo FAo - ρA1 FA 1

Balance componente

Balance de energia

;

Tanque Nº2

Balance de masa

= ρA1 FA 1 +ρB FB – ρA2 FA2

Si: ρB =XB ρA

Balance componente

;

Balance de energia

;

;

Balance Para el Serpentin:

Balance de masa

= ρWo FWo – ρW FW

Balance de energia

;

Tanque Nº3

Balance de masa

= ρ2 F2 - ρ F

Balance componente

;

Balance de energia

;

Control de flujo de salida

Para el control de flujo de salida, se controlará la altura del tercer tanque para ello se propone el

siguiente control retroalimentario:

Los valores de G son:

Donde apreciarse que el control del flujo de salida se lo controla con el flujo de entrada de

HNO3, Fa, siendo la variable perturbable.

Asignando valores de kp=10.0; ki=5.0 y kd=0.1, al controlador proporcional integral y derivativo

(PID), se obtiene la gráfica:

Donde no puede llegar a un buen control, se observa demasiada inestabilidad del sistema, por

lo que, usando el SIMULINK se buscan nuevos valores para el controlador, la gráfica resulta:

Donde puede verse que el sistema se torna muy estable, y además se tiene un control bastante

preciso a partir de la sexta unidad de tiempo, con los valores:

kp=8.806 ki=4.9996 kd=-0.239

Nótese además que se suponen saltos bruscos unitarios para todas las variables de entrada.

Control de la temperatura de salida

Como la dilución del HNO3 es bastante exotérmica, la temperatura puede llegar a elevarse

descontroladamente, para evitarlo se propone el siguiente diagrama de control retroalimentario.

Los valores de G son:

Donde puede apreciarse que la temperatura se controla con el flujo del serpentin , FW0 siendo

las variables perturbables el flujo de entrada y la temperatura del HNO3, Fao y Ta,

respectivamente.

Asignando valores de kp=10.0; ki=5.0 y kd=0.1, al controlador proporcional integral y derivativo,

se obtiene la gráfica:

Donde puede verse que se llega al control recién al cabo de 30 unidades de tiempo, por lo que,

usando el SIMULINK se buscan nuevos valores para el controlador, la gráfica resulta:

Donde el sistema se torna estable a partir de la primera unidad de tiempo, se puede decir que

se tiene un muy buen control de temperatura con:

kp=1640.3; ki=5.0048; kd=-0.0459

4.- CONCLUSIONES

Se logro realizar un buen control del proceso de dilución del acido nítrico.

Se hicieron los respectivos balances de masa, componente, y energía para los tanques.

Se hizo un buen control del flujo de salida los valores necesarios para el controlador

proporcional, integral y derivativo son: kp=8.806 ki=4.9996 kd=-0.239

Se hizo un buen control de la temperatura de salida los valores necesarios para el

controlador proporcional, integral y derivativo son: kp=1640.3; ki=5.0048; kd=-0.0459

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMONFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIACARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA

DOCENTE: Balderrama Indina José Luis

ESTUDIANTES: Barrios Marze Delia

MATERIA: Dinámica Control de Proceso

FECHA DE ENTREGA: 29-XII-2009

COCHABAMBA-BOLIVIA